2025年11月14日，中国科学院上海应用物理研究所研究员、所务委员、钍基核能物理中心主任邹杨在深圳核博会先进核能论坛发表《钍基熔盐堆核能系统研发》主旨报告。
演讲围绕钍基熔盐堆核能系统，介绍其在燃料资源、燃料循环、安全性和高温应用方面的战略意义。报告重点说明中国科学院上海应用物理研究所团队在关键材料、熔盐制备、干法后处理、实验平台和两兆瓦实验堆工程验证方面取得的进展，并指出未来仍需面向工业应用继续突破物理、化学、材料和设备等关键技术。
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钍基熔盐堆研发取得关键进展，我国迈入工程示范新阶段
中国科学院上海应用物理研究所研究员、所务委员、钍基核能物理中心主任邹杨围绕“钍基熔盐堆核能系统研发”作专题介绍，系统梳理了钍基熔盐堆的战略意义、关键技术攻关、实验堆建设进展以及未来应用方向。钍基熔盐堆被认为是面向未来先进核能的重要技术路线之一，其核心价值在于有望缓解核燃料长期稳定供应和乏燃料安全处置两大难题，并为第四代核能系统发展提供新的工程路径。
在核能持续发展的背景下，提高核燃料利用效率、减少长寿命放射性废物、构建更加安全和可持续的燃料循环体系，已成为国际核能科技竞争的重要方向。钍资源储量丰富，地质储量约为铀的四倍。钍本身不是易裂变燃料，但在吸收中子后可转化为铀-233，进而形成可利用的核燃料。钍铀循环不仅具备在热堆中实现增殖的潜力，而且长寿命次锕系核素产生量较少，有利于降低核废物长期危害，同时还具有较好的防核扩散特性。正因如此，钍资源的高效利用被视为支撑长期清洁能源供应的重要方向之一。
熔盐堆与钍资源利用具有较高适配性。不同于传统固态燃料堆，熔盐堆以液态熔盐作为燃料载体和传热介质，可实现在线换料、常压运行、高温输出，并具备较好的固有安全特征。与干法后处理技术结合后，熔盐堆有望形成完整的钍铀燃料循环体系。不过，从科学设想到工程应用，仍需经历基础研究、关键技术攻关、工程验证和工业化示范等多个阶段。
熔盐堆并非全新概念。美国曾开展熔盐堆实验研究，我国也在20世纪70年代“728工程”期间建成过零功率实验装置。进入21世纪后，熔盐堆被列为第四代核能系统候选堆型之一。2010年前后，伴随全球先进核能技术升温，熔盐堆重新成为国际核能研发热点，美国、欧洲等国家和地区的科研机构、高校及企业陆续提出熔盐堆设计方案和工程计划。其潜在应用场景涵盖高效发电、钍铀转换与增殖、次锕系核素焚烧、同位素生产、工业高温热利用以及特种能源供应等多个领域。
中国科学院于2011年启动钍基熔盐堆核能系统专项，目标是在约20年内研发第四代液态燃料核反应堆系统及钍铀循环技术，并最终支撑工业应用。专项主要围绕熔盐堆本体技术和钍铀燃料循环技术两条主线展开，研发过程具有从无到有、独立自主、系统集成的特点，覆盖基础科学研究、关键技术攻关、工程设计、装备研制和实验堆建设等全链条内容。经过十余年持续攻关，我国已掌握实验堆级别的全套关键技术，为实验堆设计、建造和运行奠定了基础。
钍基熔盐堆的研发涉及复杂的多学科交叉问题。由于液态燃料同时承担燃料和冷却剂功能，堆芯内中子物理、热工水力、燃耗行为、熔盐化学等过程高度耦合，对理论模拟和安全分析提出了很高要求。研发团队围绕多物理场耦合计算、堆芯设计、运行控制和安全评价开展系统研究，为实验堆建设和运行提供了重要支撑。
材料问题是熔盐堆工程化的关键瓶颈之一。熔盐堆结构材料需要长期承受约600至700摄氏度高温以及氟化物熔盐腐蚀环境。针对这一难题，团队围绕高温镍基合金开展研发，解决了合金加工开裂、成分优化和规模化制备等问题，形成了国产GH3535合金制备、无缝管加工和长期服役数据体系，并建立了相关材料数据库，可支撑实验堆长期运行评估。在腐蚀控制方面，研究人员通过合金成分优化、熔盐纯化、杂质控制和氧化还原电位调控等方式，有效降低熔盐对结构材料的腐蚀，在实验堆应用层面基本解决了熔盐腐蚀问题。
核石墨、高纯熔盐和关键设备同样是熔盐堆研发的重要环节。核石墨在熔盐堆中承担慢化和相关结构功能，团队与国内企业合作开展核石墨研发、测试和熔盐浸渗研究，并已在实验堆中实现工程应用。熔盐既是传热介质，也是液态燃料载体，对纯度、化学稳定性和热物性要求极高。科研团队系统开展熔盐酸碱性、氧化还原性、结构特性和热物性研究，建成多类熔盐制备平台，满足钍基熔盐堆用盐需求，并验证了国产原料制备堆用熔盐的规模化可行性。
在钍铀燃料循环方面，干法后处理技术是重要支撑。与传统水法流程不同，基于熔盐体系的后处理可直接在熔盐中回收钍铀资源，并与液态燃料堆的运行特征相衔接。相关处理路线包括电解分离、减压蒸馏、燃料重构和回堆使用，同时需要对高放裂变产物废料进行分离处置。目前，科研团队已从实验堆燃料盐中开展部分带放射性干法后处理研究，为后续闭式燃料循环验证积累经验。
为支撑实验堆建设，上海应用物理研究所建成了国内首个熔盐仿真堆TMSR-SF0，并建设电子加速器白光中子源、泵与换热器测试平台、热工流体力学平台等一系列工程验证设施。这些平台重点验证熔盐泵运行、非能动余热排出、水氧含量控制、工艺流程控制和关键设备集成运行等技术，为实验堆设备可靠性、安全分析和运行方案优化提供了基础数据。
两兆瓦钍基熔盐实验堆是我国钍基熔盐堆研发的重要阶段性成果。实验堆选址曾经历多轮论证，福岛核事故后选址要求更加审慎，最终确定在甘肃武威民勤建设。该工程于2020年3月29日启动建安工程，2022年基本完成土建和安装工作，2023年6月取得运行许可证，2023年10月11日实现首次临界，2024年6月17日实现满功率运行，2024年10月完成首次加钍并实现带钍满功率运行。
该实验堆功率为2兆瓦，出口温度达到650摄氏度，采用氟化物燃料盐体系，最终热阱为空气，主要用于科学实验和工程验证，不用于发电。其建成运行标志着我国在液态燃料熔盐堆领域实现了关键跨越，也为后续更高功率堆型研发提供了工程基础。
在加钍实验中，团队完成了公斤级钍加入反应堆实验，获得了加钍过程中的反应性测量数据，为未来更大规模加钍设计提供了关键依据。实验堆还完成了72小时带钍满功率运行，并测量到钍铀转换关键中间产物镤-233的伽马能谱。后续对镤-233半衰期和产额的测定结果与计算符合较好，初步验证了钍铀转换过程中的关键物理环节。
面向未来，钍基熔盐堆技术可发展出多个堆型分支，包括小型模块化钍基熔盐堆、固态燃料熔盐冷却堆、同位素生产堆和钍铀增殖堆等。其应用场景不仅包括高效电力供应，也包括工业高温热应用、化工过程供热、综合能源利用、船舶或特殊载具能源供应，以及医用和工业同位素生产。
从实验堆走向工业化，仍有一系列科学和工程问题需要突破，包括规模化钍铀燃料循环物理、高功率条件下的核热耦合效应、锕系元素和裂变产物熔盐化学、钍基乏燃料分离化学、长寿命材料服役行为，以及高可靠关键设备与工程系统等。后续研发将继续完善材料、熔盐、部件和系统数据库，扩展数据时长、材料种类和工况范围，支撑更高功率堆型研发。
按照规划，我国将进一步开展十兆瓦级研究堆研发，推进百兆瓦级示范堆建设，逐步实现从实验堆验证到工程示范再到工业应用的跨越。随着两兆瓦钍基熔盐实验堆实现临界、满功率运行和加钍运行，我国在钍资源高效利用、清洁燃料循环和先进核能系统研发方面已形成重要技术基础，未来有望在第四代核能工程示范和产业化应用中发挥更大作用。
